本文關(guān)鍵詞：基于SPH方法的航天器貯箱液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)研究

  更多相關(guān)文章： 航天器 大幅晃動(dòng) SPH 晃動(dòng)力和力矩

【摘要】：隨著航天任務(wù)的日益復(fù)雜和指向精度要求的提高,燃料貯箱內(nèi)液體晃動(dòng)成為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可忽略的因素。除去比較成熟而代價(jià)高昂的在軌測(cè)量和地面縮比模型測(cè)試手段,我們可以用理論解析的力學(xué)模型,例如彈簧阻尼振子等效模型或者是單擺等效模型來求解幅度較小的液體晃動(dòng)問題;然而如果遇到了非線性的特性比較明顯的幅度較大的液體晃動(dòng),傳統(tǒng)的基于網(wǎng)格的數(shù)值模擬方法由于網(wǎng)格畸變不再有很好的優(yōu)勢(shì)。本文的主要工作是利用無網(wǎng)格的光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(SPH)求解常重力的各種工況下充液系統(tǒng)的大幅度非線性晃動(dòng)。本文首先介紹了SPH方法的基本思想和應(yīng)用前景,也介紹了程序化過程中采用的數(shù)值處理方法,基于SPH基本理論利用C語言編程,建立了傳統(tǒng)SPH方法的求解程序,并對(duì)封閉腔剪切流動(dòng)、潰壩問題和小幅線性晃動(dòng)問題進(jìn)行了數(shù)值仿真,證明了SPH求解不可壓縮流體及伴隨復(fù)雜自由液面的問題時(shí)十分有效。其次,本文詳細(xì)介紹了針對(duì)大幅液體晃動(dòng)問題在程序?qū)崿F(xiàn)的過程中需要采用的一些數(shù)值計(jì)算方面的改進(jìn)方法。對(duì)于傳統(tǒng)SPH方法求解大幅晃動(dòng)時(shí)遇到的邊界間隙和壓力場(chǎng)混亂問題,本文提出了一種加厚固壁虛粒子的邊界處理方式,并通過合理控制邊界粒子距離和影響域正確求解邊界附近壓力場(chǎng)。另外文章基于質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)力學(xué)原理建立了液體晃動(dòng)時(shí)施加給貯箱的力和針對(duì)任意點(diǎn)力矩的求解方法,并以矩形貯箱為例進(jìn)行了成功的求解。在此基礎(chǔ)上,本文對(duì)于復(fù)雜形狀建模需要面臨的初始粒子排布問題進(jìn)行了探討,包括最基本的矩形規(guī)則排布方式和徑向圓弧排列方式,完善了SPH程序的前處理模塊。此外對(duì)實(shí)際工程中的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)貯箱的大幅晃動(dòng)問題進(jìn)行了求解,包括無防晃板和有防晃板的Cassini貯箱、復(fù)雜形狀貯箱下艙工況,并基于仿真結(jié)果給出了防晃板防晃效果和復(fù)雜下艙尖角易受液體沖擊的情況說明和設(shè)計(jì)建議。
【關(guān)鍵詞】：航天器 大幅晃動(dòng) SPH 晃動(dòng)力和力矩
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V434
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-17
• 1.1 研究背景與意義8
• 1.2 液體晃動(dòng)研究方法8-11
• 1.2.1 理論解析法9
• 1.2.2 實(shí)驗(yàn)研究法9-10
• 1.2.3 數(shù)值仿真法10-11
• 1.3 SPH方法介紹11-16
• 1.3.1 基本思想與發(fā)展歷程11-12
• 1.3.2 SPH在液體晃動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展12-16
• 1.4 本文主要內(nèi)容16-17
• 第2章 SPH基本原理17-41
• 2.1 引言17
• 2.2 SPH理論基礎(chǔ)17-21
• 2.2.1 SPH積分近似17-19
• 2.2.2 核函數(shù)19-21
• 2.2.3 粒子離散21
• 2.3 基于SPH的流體動(dòng)力學(xué)21-25
• 2.3.1 密度離散22-23
• 2.3.2 動(dòng)量方程離散23-24
• 2.3.3 能量方程離散24-25
• 2.4 SPH方法實(shí)現(xiàn)25-31
• 2.4.1 粒子搜索25-27
• 2.4.2 時(shí)間積分27-29
• 2.4.3 人工粘性29
• 2.4.4 光滑長(zhǎng)度29-30
• 2.4.5 XSPH修正30-31
• 2.5 數(shù)值算例31-40
• 2.5.1 封閉腔剪切流動(dòng)31-33
• 2.5.2 潰壩問題33-36
• 2.5.3 小幅線性晃動(dòng)36-40
• 2.6 小結(jié)40-41
• 第3章 基于SPH的大幅晃動(dòng)41-61
• 3.1 引言41
• 3.2 壓力狀態(tài)方程41-42
• 3.3 邊界處理42-45
• 3.4 非慣性系中的充液晃動(dòng)45-47
• 3.5 質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)力學(xué)47-49
• 3.5.1 質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量定理47-48
• 3.5.2 質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量矩定理48-49
• 3.6 數(shù)值算例49-60
• 3.6.1 仿真模塊程序結(jié)構(gòu)49-52
• 3.6.2 后處理模塊52
• 3.6.3 建模與結(jié)果分析52-60
• 3.7 小結(jié)60-61
• 第4章 實(shí)際工程貯箱液體晃動(dòng)SPH求解61-79
• 4.1 引言61
• 4.2 前處理模塊61-62
• 4.3 無防晃板CASSINI貯箱大幅度晃動(dòng)62-67
• 4.4 有防晃板CASSINI貯箱大幅度晃動(dòng)67-71
• 4.5 復(fù)雜形狀的貯箱大幅度晃動(dòng)71-76
• 4.6 算例分析76-78
• 4.7 小結(jié)78-79
• 第5章 結(jié)論與展望79-81
• 5.1 主要內(nèi)容總結(jié)79
• 5.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)79-80
• 5.3 展望80-81
• 參考文獻(xiàn)81-86
• 致謝86-88
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果88

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